钜大LARGE | 点击量：1811次 | 2021年12月08日
铅酸蓄电池自动充放电控制器的设计与实现
摘要：介绍了酸蓄电池自动充放电控制器的构成，给出了充放电时流和电压控制策略，同时简述了软件实现方法。实际应用表明，采用混合型模糊pID控制可满足充放电控制速度快、精度高的要求。
关键词：铅酸蓄电池充放电机模糊控制pID控制单片机
铅酸蓄电池是目前大容量电池的重要品种，在通讯、交通、电力等部分得到了广泛应用，但因充放电控制不合理而损坏的电池点相当大的比例。若铅酸蓄电池充放电适当，可以工作在10～15年时间。而现在，许多电池在生产和使用过程中，还是采用一些简单的充放电设备进行充放电，不仅造成充电量不足，使电池不能发挥最大的电力效应，而且缩短了使用寿命。为此，我们研制了铅酸蓄电池自动充放电控制器。
1充放电方法
关于蓄电池的充放电应该严格按要求进行（尤其是浮充充电），根据蓄电池充放电的特性，用计算机控制其过程最为合适。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
典型的蓄电池充电包含四个阶段，如图1所示。
每个阶段以恒电流或恒电压充电，依赖于电流、电压的设定值Ib1、Ib2、Eb2。第一阶段，以Ib1恒流充电，当电压达到Eb1时转入第二。第二阶段以电压Eb1进行恒压充电，随着电池开路电压的提高，电流会逐渐变小，当充电电流达到Ib2时，转入第三阶段。第三阶段以Ib2恒流充电，这时电池电压进一步提高，当电压达到Eb2时转入第四阶段。第四阶段以Eb2恒压充电，这时电流进一步逐渐变小，当充电安时数达到后停止。
电池的放电，重要是控制电流以给定值放电，通过三相全控整流桥回馈电网，当蓄电池达到终止放电电压时停止放电。
2蓄电池自动充放电控制器的构成
蓄电池自动充放电控制器的构成如图2所示，由三相全控整流桥电路、触发板、计算机控制板、电流电压传感器及滤波电路构成。三相全控整流桥电路由触发板控制，为蓄电池组供应数百安培充放电流。触发板由计算机控制板控制，为三相全控整流桥电路供应整流或逆变触发脉冲。用电流分流器和电压分压器测得充放电过程电流和电压信号，信号滤波后，被计算机控制板周期采样。以16位单片计算机80C196KB为核心构成的计算机控制板包括键盘、显示电路、微型打印机、12位调节输出电路，80C196KB通过内嵌A/D通道采样输入信号，完成分段曲线控制。
三相全控整流桥的输出电流是带有纹波的直流，电流和电压传感器信号经π型滤波器滤波，其输出信号作为混合型模糊pID控制器的输入量，滤波前的信号由计算机采样用于快速保护。滤波器的时间常数取值为工频电压的周期。模糊pID控制器的控制周期取值小于工频电压的周期，过大会造成调节失控。过电流和过电压的抑制与保护措施是由计算机快速封锁触发脉冲完成的。
3控制策略
由于电网的波动及周边负荷的变化，在交流电的一个或多个周波内会使充电电流出现跃变。自动充放电控制器的调节功能是使充电流或电压稳定。电流在深放电后充电，开始阶段电池的内阻较大，随着充电电压的升高，内阻变得非常小，因此使电网中很小的电压波动也会引起充电电流较大的变化。这就要求充电控制器的调节速度要快，不然会引起跳闸，甚至损坏整流电路。在实践中我们比较不多种控制算法，对铅酸蓄电池充放电过程的控制，采用混合型模糊pID控制器[1～3]较合适，如图3所示。
当误差e≥Ep时，应用模糊控制器调节，E、EC、U分别是偏差、偏差变化率和控制量的模糊语言变量。系统根据不同的状态使用合适的控制规则。根据现时的精确量e、ec进行模糊化，由模糊控制规则计算出模糊控制变量U，把计算出的模糊控制变量U精确化，加到控制对象上。偏差和偏差变化率为：
e(n)=y(n)-r(n)(1)
ec(n)=e(n)-e(n-1)(2)
这里，r(n)为nT时刻控制系统的设定值，y(n)为nT时刻控制系统的输出，e(n)为nT时刻控制系统的偏差，ec(n)为nT时刻控制系统的偏差变化率，T为采样周期。E、EC、U的模糊子集规定为：E={NB，NM，NS，pS，pM，pB}，EC={NB,NM,NS,pS,pM,pB}。
模糊控制器的控制规则采用条件语句形式，表达为：
ifEiandEcjthenUk.
根据实际调试和相关经验总结出模糊控制规则，共计36条。采用Mamdani推理合成算法，用重心法进行模糊判决，从而计算出精确输出量u。根据上述规则，关于所有输入组合和状态值进行离线计算，得控制表存于E2pROM中。在模糊控制过程中根据e、ec查相应的控制表，得输出控制量。
当误差e<Ep时，应用增量式pID控制器调节：
Δu(n)=Kp(e(n)-e(n-1))+Kie(n)+Kd(e(n)-2e(n-1)+e(n-2))(3)
式中，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数。而t(n)时刻的输出量为：
u(n)=u(n-1)+Δu(n)(4)
4系统软件
整个软件用pLM96语言编写，全部模块化编程。利用系统资源供应的8个软件按时器，设为中断方式，驱动8个事件。其中，软按时器T0设为20毫秒中断，用于驱动恒电流或恒电压控制。软按时器T1用于驱动数据处理和充放电过程曲线控制。软按时器T2用于驱动计时，累计充放电安时和时间。软件中还设置不快速保护功能、软启动功能和暂停后的自恢复功能。蓄电池自动充放电控制器的硬件与软件设计有机结合，融为一体。经实际测试，控制器对电流和电压的检测精度达到0.1%，控制精度在稳态时小于0.2%，控制过程动态超调量小于1%，充电量计量精度小于0.14%，蓄电池的充放电合格率大为提高。
铅酸蓄电池自动充放电控制器的应用使充电与放电过程自动化，不仅显著提高不蓄电池的生产质量和使用寿命，而且节省电能约5%.该控制器经过实际应用和多次修正后，运行稳定可靠，适用于各种荷刻的工业环境。目前已经被鲁中蓄电池厂和淄博蓄电池厂等多家厂商采用。
